Ph.D. értekezés tézisei A melegen hengerelt acélszalagok tulajdonságainak javítása a szalaghűtő-rendszer optimalizálásával Sebő Sándor okl. kohómérnök Témavezető: Dr. Voith Márton egyetemi tanár A doktori iskola vezetője: Dr. Károly Gyula egyetemi tanár Kerpely Antal Anyagtudományok és technológiák Doktori Iskola Miskolc 2003
Célkitűzés A fejlett gazdaságokat a múlt század 70-es éveinek közepéig az jellemezte, hogy acélfelhasználásuk a GDP-vel arányosan, általában annál gyorsabban növekedett. Azóta ez a közvetlen összefüggés megszűnt; a korábbi trendek alapján kialakított kapacitások egy része feleslegessé vált. Ez elsősorban az erős acéliparral rendelkező, jelentős exportot lebonyolító Nyugat- Európában éreztette hatását. A felesleges kapacitások növekvő jelenléte árversenyt indított el az acélpiacokon, ami azt eredményezte, hogy az acéltermékek ára az acélfelhasználó ágazatok áraival ellentétben csökkenni kezdett, és ez a tendencia azóta is tart. Hasonló tendenciát szinte kizárólag a legkorszerűbb, leginkább innovatív területeken (elektronika, számítástechnika) lehet megfigyelni; ezt a számítógépek, szórakoztató elektronikai termékek áralakulásán magunk is közvetlenül tapasztalhatjuk. A trendet ott is az éles piaci verseny diktálja: gyorsan követi egymást az új, jobb teljesítményű termékek kibocsátása, ezért a hagyományos termékek rövid időn belül eredeti áruk töredékéért adhatók csak el. Az acélipar életképességének, megújuló készségének legmeggyőzőbb bizonyítéka, hogy az energia, a munkaerő, a szállítási költségek, stb. egységárainak folyamatos növekedése mellett olyan mértékben tudja növelni hatékonyságát, hogy csökkenő eladási árak mellett is gazdaságos tud maradni. Ennek egyik valószínűleg a legfontosabb kulcsa a hatékony műszaki fejlesztési és beruházási, valamint az ezeket megalapozó tudományos kutató tevékenység. Napjainkban az utóbbi években kifejlesztett új eljárások közül egyre többet próbálnak ki ipari méretű berendezésekben. Ezeket a fejlesztéseket a vaskohászattal, mint alapanyagszállítóval szembeni elvárásokban bekövetkező változások és a környezetvédelemmel kapcsolatos előírások szigorodása tette indokolttá. A vaskohászaton belül a szélesszalagokat előállító meleghengerművekkel szemben is egyre újabb elvárások fogalmazódnak meg. A szélesszalag meleghengermű feladata ismert méretű és kémiai összetételű brammából homogén, síkfelületű szalag előállítása, amelynek készméretét és mechanikai tulajdonságait előre meghatároztuk. Az alakhűség, a sima felület és a készméretek a hengerlési művelet függvényei. A mechanikai tulajdonságok a hengerléssel elért anyagszerkezettől függnek. Az anyagszerkezet egyrészt a kémiai összetételtől, az acélgyártás és öntés módjától, másrészt pedig a hengerlés technológiai paramétereitől függ. Az acélok folyamatos fejlődése lényegében két módszernek, a megfelelő ötvözésnek, és a szabályozott hengerlésnek, illetve ezek kombinációjának köszönhető. A meleghengerműben az anyagszerkezet a hengerlési technológiával és a hőmérsékletvezetéssel szabályozható. A meghatározó paraméterek, vagyis a hengerlést megelőző ausztenites izzítás hőmérséklete, a hengerlés befejező hőmérséklete, a csévélés hőmérséklete, a szúrásterv és a hengerlési sebesség a gyártóberendezések által megszabott határokon belül változtatható. A hengersorból kifutó acélszalag a hengerlési véghőmérsékleten közvetlenül nem csévélhető fel. A csévélhetőség hőmérsékletét, illetve hőmérséklet-közét igen sok követelmény határozza meg. A hengerlési véghőmérséklet és a csévélési hőmérséklet között a hengerlési sebességgel futó szalagot hűteni kell. A hűtés, illetve a hűtőrendszer megválasztása együttesen befolyásolja a termék mechanikai tulajdonságait, az alakhűséget és a hűtővíz-felhasználást is. A szalaghűtés feladata a hengersor utolsó állványából kilépő szalag valamennyi eleme hőmérsékletének előírt mértékben és ütemben történő csökkentése. A feladatot általában az utolsó hengerállványt elhagyó szalag hőmérsékletével, a csévélő előtti szalaghőmérséklettel, a közben történő lehűtés sebességével, illetve azok tűrésmezőjével szokták definiálni. A szalag hengerállvány és csévélő közötti lehűlése igen bonyolult folyamatok eredménye, amelyek egy része csak közelítően írható le. Bár a hűtési rendszereket ipari alkalmazásokban széleskörűen használják, a folyamat alapjainak ismerete nem teljes, ezért csak korlátozott pontossággal tudják meghatározni a szalag hűtés közbeni hőtani viselkedését. A hőátadási együttható meghatározása elméletileg szinte lehetetlen, a pontosításhoz szükség van gyakorlati kísérletekre is, ezen túl a szalaghűtő rendszerek szabályozásának általában öntanuló funkciója is van. 2
Az ismeretek teljeskörű megszerzését nehezíti, hogy a gyorsított (víz)hűtés nagy számú olyan alárendelt folyamatot foglal magába, amelyek önmagukban is bonyolultak, továbbá a szalag nagy méretei, sebessége és magas hőmérséklete következtében rendkívül nehéz laboratóriumban szimulálni. Megfelelő peremfeltételek előírásával azonban a hűtési folyamat alatt fennálló, termikus viselkedésre felírt energiaegyenlet numerikusan megoldható. Ezért nagy jelentőségű a szalaghűtés szabályozásának olyan számítógépes támogatása, amely a fizikai folyamatokat jellegre helyesen leíró, reális modelleken alapul, és figyelembe veszi a korábbi szalaghűtések tapasztalatait. A korábbi tapasztalatok hűtési folyamat tervezésében, szabályozásában történő felhasználásának ami a feladat összetettsége következtében elengedhetetlenül fontos alapvető feltételei az alábbiak: a) a hűtési követelményeket, illetve a folyamatot befolyásoló mennyiségek (hőmérsékletek, szalagsebesség, hűtővíz mennyiség és hőmérséklet, szalag vastagság, acél hőtani sajátosságai stb.) megfelelő pontosságú ismerete és b) a szalaghűtési beavatkozások reprodukálhatósága, vagy ha ez nem minden paraméterre (például vízhőmérséklet) tartható, akkor c) a ténylegesen elvont és a vonatkozási hőmennyiség közötti különbség és a nem reprodukálható paraméterek előírt értékétől való eltérése közötti kapcsolatok ismerete és figyelembe vétele. (Tekintettel a hűtést befolyásoló tényezők közötti bonyolult keresztkapcsolatokra, ez az eljárás jelentős hibát okozhat, ezért alkalmazását lehetőség szerint el kell kerülni.) Értekezésem célkitűzéseként fenti paraméterek optimalizálását választottam. Az elvégzett kutatás rövid összefoglalása A célkitűzésben megfogalmazott paraméter-optimalizáció sikerességéhez ismerni kell az egyes acéltípusok elvárt tulajdonságait, a tulajdonságok kialakítási lehetőségeit, az egyes paraméterek hatásmechanizmusát, a zavaró tényezőket és azok kivédésének lehetőségeit, ezért átfogó irodalomkutatást végeztem. A szalaghűtéssel foglalkozó szakirodalom eléggé periférikus jelentőséggel bír például a hengerlési erővel, az előnyújtással, vagy a készsorral foglalkozó szakirodalomhoz képest. Ez a tendencia, ha nem is alapvetően, de változni látszik a legutóbbi időben, mert a kutatók felismerték a téma fontosságát, hiszen a melegen hengerelt szalagok mechanikai- és alaki tulajdonságait zömmel a készsor után kell kialakítani. Elmondható továbbá az is, hogy az egyes szakirodalmi források a szalaghűtéssel általában nem teljeskörűen, hanem csak egyes részleteket kiragadva foglalkoznak. Ilyen részterületek például a szalag és a hűtővíz közötti hőátadás vizsgálata, egyes fémtani vonatkozások bemutatása, az ausztenit bomlásának kinetikája, vagy a mechanikai tulajdonságok és a hűtés különböző paraméterei közötti kapcsolat vizsgálata, stb. Kevés kivételtől eltekintve nem tartalmazzák teljeskörűen az elérhető szakirodalmi források a számítások elvégzéséhez szükséges összefüggéseket, állandókat sem. Az irodalomkutatással párhuzamosan elméleti és gyakorlati összefüggéseket kerestem a mechanikai és alaki tulajdonságok, illetve a meleghengerlés hőmérsékletvezetése között. Vizsgálataimba, melyeket a Dunaferr Dunai Vasmű Rt. meleghengerművében végeztem, az Rt. által leggyakrabban gyártott acéltípusokat vontam be, részben a normál termelés során rögzített igen nagy adatbázis elemzésével, részben saját kísérletekkel. A pontos helyzetkép megismerése céljából gyártóképesség-vizsgálatokat végeztem. A tulajdonságok hosszmenti egyenletességét célszerűen megválasztott helyekről kivágatott mechanikai anyagvizsgálati próbákkal vizsgáltam. A szélesség- és vastagság mentén jelentkező csévélési hőmérsékletkülönbség anyagtulajdonságokra gyakorolt hatásának kimutatására a vizsgálatba bevont szalagok első 10 méterénél, a szalaghossz felénél, és a szalag utolsó 10 méterénél a keresztirányú 3
hőmérséklet-diagram alapján kiválasztott helyekről próbákat vetettem. A mechanikai tulajdonságok keresztirányú inhomogenitásának kimutatására a szakítóvizsgálat, míg az alsó-felső felületek közötti inhomogenitás kimutatására a keménységvizsgálat és a szövetszerkezet vizsgálat alkalmas. A szemnagyság- és szemcseszerkezet vizsgálatokat vastagságirányban a felső- és alsó felülettől 0.5 mm-re, valamint a lemez közepén végeztettem el a DUNAFERR Kutató Intézettel. A szalaghűtés során lejátszódó áramlási és hőátviteli folyamatok optimalizálása előtt elméleti megfontolások alapján, a szakirodalom, és saját tapasztalataim figyelembevételével modellt állítottam fel a szalag hűlésének számítására. A modell kidolgozása során a szalagon belüli, hővezetési folyamatokkal, a méretváltozásokkal és azok következményeivel nem foglalkoztam, viszont a szalag felülete és a környezet közötti hőátadás számítására nagyon részletes, új elemeket tartalmazó módszert dolgoztam ki. A hűlést és a hűtőszakaszt különböző szempontok szerint lehet és kell vizsgálni, és a kapott eredményeket mintegy szuperponálni. Ennek megfelelően külön vizsgáltam a sugárzással, valamint a hőátadással kapcsolatos hőtani folyamatokat, ezeket is külön a szalag felső és alsó felületére vonatkozóan. Ezen túlmenően az elvileg lehetséges hűtőszakaszoknak megfelelően külön ún. szakaszokat definiáltam, amely szakaszokon belül a hűtés-hűlés hőtani modellje azonos (például azonos a hűtés, van utazó hűtővíz vagy nincs...?) Nagyon sok irodalmi adat állt rendelkezésemre a vízzel való hőelvonás egyes formáinak hőátadási tényezőiről, melyek azonban csak nagyságrendileg mutattak hasonlóságot, igen nagy eltéréseket tapasztaltam közöttük attól függően, hogy az adott mű szerzői milyen ható tényezőket hanyagoltak el, és melyik konkrét meleghengerműben folytak a kutatások. Ezt a különbözőséget a szakirodalom az előzőek miatt természetesnek tekinti. Meghatároztam az egyes hőátadási tényezőket, az általam legkönnyebben elérhető Dunaferr RT. meleghengerművének viszonyaira. Első lépésben a kiválasztott acéltípus hengerlésekor rögzített gyártástechnológiai paramétereket gyűjtöttem ki a meleghengermű mérésadatgyűjtő rendszeréből. Az adatokat a szalagvastagság, a hengerlési sebesség és a hűtővíz hőmérséklete szerint elemzésre alkalmas módon csoportosítottam, majd elvégeztem az elemzést. Irodalmi adatokra támaszkodva, iterációval meghatároztam az utazó víz hőátadási tényezőjét a hűtővíz hőmérsékletének függvényében. A számítási módszerem alkalmasságát, az egyes hőátadási együtthatók jóságát közvetlen mérésekkel ellenőriztem. Kiépíttettem a hűtővíz hűtőrendszerbe lépése előtti, illetve a hűtőrendszerből való eltávozása utáni hőmérsékletének mérésére és rögzítésére alkalmas rendszert. Ismerve, hogy adott szalagnál hogyan alakul a hűtővíz hőmérséklete és mennyisége, az elvont hő tényleges mennyisége számítható. A gyártástechnológiai paraméterek szabályozásának előfeltétele azok pillanatnyi értékének pontos ismerete, ezért optimalizáltam a legfontosabb paraméterek mérését végző berendezéseket, készülékeket. Meghatároztam a zavaró tényezőket, az elvárt pontossági követelményeket, a készülékek típusát, jellemzőit, ideális telepítési helyét, a vízmennyiség mérési - és szabályozási lehetőségeit. Ehhez a munkához a fent említett meleghengermű mérésadatgyűjtő rendszerét, a szalaghűtéssel foglakozó szakirodalmat, és ezeken kívül a világ legismertebb mérőeszköz-gyártóinak honlapját, prospektusait is felhasználtam. A kollektorok csak úgy tudják a szalag szélessége és hossza mentén az egyenletes hőelvonást biztosítani, ha gondoskodunk a hűtővíz nyomásának és mennyiségének állandóságáról. A vízrendszerben lévő lengések okát meghatároztam, részben elméleti számítások, részben pedig saját mérések segítségével Az okok ismeretében meghatároztam a szükséges átalakításokat, és a lengések megelőzésével, a mindenkori igényeknek megfelelő vízmennyiség betáplálásával optimalizáltam a szalaghűtés vízellátó rendszerét a kollektorok előtti stabil vízmennyiség és nyomás biztosítása érdekében. Áramlástani összefüggések felhasználásával módszert dolgoztam ki a lamináris vízsugár kialakulásához szükséges geometriai viszonyok megtervezésére, a kollektorok optimalizálására. 4
A számítások alapján végrehajtott módosítások jóságának ellenőrzése céljából kollektorvizsgáló berendezést, próbapadot készíttettem. Kísérletsorozattal optimalizáltam a kollektorokat, aminek eredményeként a folyamat során kialakított alsó- és felső kollektorok szivornyáiból koherens sugarak jutnak a szalag felületére, és az egyes szivornyák vízteljesítménye közel azonos, vagyis a szalag szélessége mentén alkalmazott hőelvonás szórása ± 5 %-on belül van. Kísérleteket végeztem a szalag felületén utazó víz eltávolítására különböző sűrített levegős és vizes megoldású rendszerekkel. A kísérletsorozattal kialakítottam egy takarékos, és hatékony rendszert, mely a mintás felületű szalagról is teljesen eltávolítja az utazó vizet. A szakirodalom, és saját számításaim alapján kimutattam, a meleghengerműi mérésadatgyűjtő rendszerben rögzített adatok elemzésével pedig bebizonyítottam, hogy a hűtővíz hőmérsékletének döntő szerepe van a szalaghűtés hatékonyságában, mivel a hőátadási tényező a vízhőmérséklet növekedésével exponenciálisan csökken. Gazdaságossági számítást végeztem, melynek eredményeként javaslatot tettem a recirkulációs vízrendszer hűtőtoronnyal való kiegészítésére. Meghatároztam az egyes acéltípusok optimális tulajdonság-kombinációját biztosító hűtési stratégiák jellemzőit. Az értekezés tézisei 1. Az acélszalag meleghengerlés utáni lehűlésének szabályozása és optimalizálása érdekében, támaszkodva a szakirodalmi hivatkozásokra, ugyanakkor továbbfejlesztve azokat, kidolgoztam egy újszerű módszert a meleghengerlési véghőmérsékletről csévélési hőmérsékletre történő optimális sebességű lehűtés számítására. Pontosítottam a lehűlés számítására eddig alkalmazott összefüggéseket, általánosítottam a különböző hűtőközegek, valamint az alapfém közötti hőátadási tényezőt, figyelembe véve azokat a paramétereket, amelyek erre lényeges hatást fejtenek ki. Kidolgoztam egy olyan számítási modellt, amely lehetővé teszi az anyagminőségtől függő (és rendszerint szűk korlátok között elhelyezkedő) csévélési hőmérséklet biztosítását lehetővé tevő és összetartozó hengerlési véghőmérséklet hűtővízmennyiség - hengerlési sebesség értékhármas meghatározását. A számítási módszer helyességének ellenőrzésére gyakorlati méréseken alapuló eljárást dolgoztam ki. Mivel a legkisebb, önállóan szabályozható vízhűtésű egység hosszának megfelelő, számítástechnikai szempontból elkülönített részekre osztottam a készsortól a csévélőig terjedő szakaszt, a módszer alkalmas bármilyen hűtősoron, tetszőleges hűtési stratégia szerinti lehűtés meghatározására. 2. Kimutattam, hogy a tényleges hőmérsékletváltozások pontos számításakor, a hőmérsékletváltozási folyamatok pontos leírásához a fázisátalakulási hőmennyiség nem hagyható figyelmen kívül. Ennek számítására alkalmas összefüggést alakítottam ki, és bebizonyítottam, hogy ezen hőmennyiség figyelembevétele mellett a számított értékek megfelelően közelítik a mért értékeket. Kimutattam, hogy az eltérés nagysága mitől és hogyan függ, és megállapítottam, hogy ennek a hőmennyiségnek a részaránya vékonyabb szalagvastagság-tartományban a nagyobb, az elvonandó összes hőmennyiségnek 20-30 % -át teszi ki. 3. Számítási modellt dolgoztam ki a szállítógörgők által elvont hőmennyiségek meghatározására. Megállapítottam, hogy a melegen hengerelt szalagból ilyen módon távozó hőmennyiség a szalagvastagsággal fordítottan és a hengerlési sebességgel egyenesen arányos, vagyis gyakorlatilag minden vastagságra állandó. 5
4. Elemeztem a hengerelt szalag hőmérséklet-eloszlásának hossz- és keresztirányú egyenlőtlenségét, és megállapítottam, hogy a csévélési hőmérséklet szalaghossz-, szélesség- és vastagságmenti eloszlásának változása milyen mértékben befolyásolja a szalag szövetszerkezetét és ezen keresztül az adott helyen mérhető mechanikai tulajdonságokat. A melegen hengerelt szélesszalag jó alakisága és mechanikai tulajdonságainak izotrópiája többek között csak optimalizált, fémtanilag ideális lehűlési sebességet és csévélési hőmérsékletet garantáló szalaghűtés mellett biztosítható. Tekintettel arra, hogy a legvékonyabb szalagméretektől eltekintve a mechanikai tulajdonságok kialakításában a vízhűtésnek döntő szerepe van, a hűtési beavatkozásoknak a hőmérséklet szalaghossz-, szélesség- és vastagságmenti egyenletességére, valamint reprodukálhatóságára gyakorolt hatása alapvető fontosságú. A hőmérséklet szórásának a csökkentése érdekében kidolgoztam: - a befolyásoló paraméterek mérésének optimalizálását, - a mérési helyek minimalizálását, - a hőmérsékletkülönbségek és a szalagtulajdonságok (hossz- és keresztirányban, az alsó- és felső felületen) között kapcsolatrendszer előrejelezhetőségét, - a hűtés eloszlásának és intenzitásának optimalizálására alkalmas teendőket. 5. Az optimális hűtőrendszer megtervezésére újszerű metodikát alakítottam ki, amely alkalmas: - a hűtővíz-megoszlás megtervezésére (alsó- és felső arány, hosszmenti megoszlás), - a vízmennyiség mérési- és szabályozási lehetőségeinek megvalósítására, - a vízellátó rendszer olyan működtetésére, amely biztosítja, hogy egy adott hűtőszakaszból, illetve kollektorból kiáramló víztérfogatáram a rendszer más elemeinek állapotától függetlenül reprodukálható legyen, - a hűtővízfúvókák elhelyezkedésének és méretviszonyainak optimalizálására, - a lamináris vízsugár kialakulásához szükséges vízmennyiség meghatározására, - a kollektorokból kiáramló víz szélesség mentén egyenletes, előírt eloszlásának garantálására, - a lemezsebesség reprodukálhatóságának biztosítására, - a hűtővíz hőmérséklete reprodukálhatóságának biztosítására, - a hűtőszakaszok elhelyezésére (hossz, távolság, közbenső vízlefúvás és léghűtés szükségessége), - a külső zavaró tényezők és körülmények hatásának minimalizálására. A hasznosítás lehetőségei A fentiekből levonható az a végkövetkeztetés, hogy az általam megalkotott szalaghűtési modell nem öncélú, felhasználható offline üzemmódban a szalaghűtési folyamatok legkorszerűbb szemléletű modellezésére, a szükséges anyagállandók teljeskörű ismerete és beépítése esetén pedig akár online folyamatirányítására is. Alkalmazható továbbá oktatási célra szakirányú felsőoktatási intézményekben. 6
Tudományos közlemények a) The result of reconstruction of the pusher type furnaces (Bak János, Felföldiné Kovács Ágnes, Fülöp József, Sebő Sándor) 1st European Rolling Conference and 12th National Rolling Conference, Balatonszéplak, 1996.09.04. PROCEEDINGS III./22. b) Sebő Sándor: A melegen hengerelt szalag szelvényének kialakítása MTESZ Mérnöktovábbképző jegyzet, 1993. 119-140. oldal. c) "Influence of Ni and Si content on scale formation of low alloyed steels" (Dénes Éva, Sebő Sándor) EUROCORR 2000, London, 2000. szeptember 10-14. Proceedings 72. oldal. d) "A 2,0 mm szalagvastagság alatti méretek hengerléstechnológiai kérdéseinek vizsgálata" (Dr. Horváth Ákos, Sebő Sándor) microcad 2000, Miskolc Egyetemváros, 2000. február 23.-24. 43.-49. oldal. e) "A 2,0 mm szalagvastagság alatti méretek hengerléstechnológiai kérdéseinek vizsgálata" (Dr. Horváth Ákos, Sebő Sándor) XIII. Képlékenyalakító Konferencia, Salgótarján, 2000. szeptember 21-23. 127-134. oldal. f) Sebő Sándor: "A DUNAFERR Rt. Meleghengermű szélesszalag-hengersor új csévélőjének vertikális technológiába illesztése, a termékválaszték bővülés lehetőségeinek megfogalmazása" XIII. Képlékenyalakító Konferencia, Salgótarján, 2000. szeptember 21-23. 53-60. oldal. g) Nagytisztaságú, nióbiummal mikroötvözött acélcsalád gyártásának megvalósítása a Dunaferr Acélművek KFT.-nél (Dr. Szücs László, Dr. Horváth Ákos, Lukács Péter, Sebő Sándor, Szélig Árpád) DUNAFERR műszaki - gazdasági közlemények 2002/3. 145-150. oldal. h) Termék- és minőségfejlesztés az 1991-2000. években (Dr. Horváth Ákos, Sebő Sándor, Szélig Árpád) DUNAFERR műszaki - gazdasági közlemények 2001/4. 201-208. oldal. i) Korszerű alapanyagok állnak a felhasználók rendelkezésére (Kovács Mihály, Sebő Sándor, Szélig Árpád) VI. Kohászati Másodtermék- és Acélszerkezetgyártó Konferencia, Balatonszéplak, 2002. május 9.-10. 68-73. oldal. j) Accomplishment of the production of the high-purity and niobium micro alloyed steel family at DUNAFERR (Dr. Szücs László, Dr. Horváth Ákos, Lukács Péter, Sebő Sándor, Szélig Árpád) 6th International Conference on Clean Steel, Balatonfüred, 2002. június 10-12. 395-399. oldal. k) AZ ACÉL DÍCSÉRETE. Innováció a DUNAFERR RT.-nél (Dr. Horváth Ákos, Sebő Sándor) VII. Kohászati Másodtermék- és Acélszerkezetgyártó Konferencia, Balatonszéplak, 2003. május 9.-10. 60-66. oldal. 7